オペラント学習による行動獲得と転換を実現する神経回路制御

• 研究領域: 行動適応を担う脳神経回路の機能シフト機構
• 研究課題/領域番号: 26112005
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 玉川大学
• 研究代表者: 礒村 宜和 玉川大学, 脳科学研究所, 教授 (00415077)
• 研究分担者: 酒井 裕 玉川大学, 脳科学研究所, 教授 (70323376)
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 109,200千円 (直接経費: 84,000千円、間接経費: 25,200千円); 2018年度: 18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円); 2017年度: 18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円); 2016年度: 18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円); 2015年度: 18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円); 2014年度: 33,410千円 (直接経費: 25,700千円、間接経費: 7,710千円)
• キーワード: 大脳皮質 / 大脳基底核 / 行動制御 / 光遺伝学 / ラット / 運動野 / 線条体 / 運動発現 / 行動選択 / 神経科学 / 生理学 / 行動抑制 / 脳・神経

研究成果の概要

動物の適応行動を支える大脳皮質‐大脳基底核回路の適応回路シフト動態の解明を目指した。独自に確立したラットの前肢による行動実験系とマルチニューロン記録と光遺伝学を組み合わせて、プロアクティブ抑制や左右運動支配性を担う大脳皮質（一次運動野、二次運動野、眼窩前頭野、後頭頂連合野）の機能的活動情報、および過去の経験に基づく行動選択を担う大脳基底核（背内側線条体の直接路・間接路）の機能的活動情報を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

げっ歯類の大脳皮質の行動抑制や両側支配性の機能的活動情報の解析により、特に二次運動野と後頭頂連合野の神経回路が行動制御に重要であることが推察された。また、過去の行動の結果から次の行動の選択を決定することに背内側線条体の直接路と間接路が異なって関与することは、その上流情報である大脳皮質からのグルタミン酸入力信号と黒質緻密部からのドーパミン入力信号の統合機構が今後の研究のカギとして浮かび上がるであろう。これらの成果は、私たちが最適な行動を選択し実行する脳の仕組みの理解を一歩進めるものである。

研究成果

• [国際共同研究] チュービンゲン大学(ドイツ)
• [国際共同研究] アルベルト・アインシュタイン医科大学(米国)
• [国際共同研究] アルベルト・アインシュタイン医科大学(米国)
• [雑誌論文] Ipsilateral-dominant control of limb movements in rodent posterior parietal cortex. (2019)
  • 著者名/発表者名: 1.Soma S, Yoshida J, Kato S, Takahashi Y, Nonomura S, Sugimura YK, Ríos A, Kawabata M, Kobayashi K, Kato F, Sakai Y, Isomura Y.
  • 雑誌名: J Neurosci. 巻: 39 号: 3 ページ: 485-502
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1584-18.2018
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Area-specific Modulation of Functional Cortical Activity During Block-based and Trial-based Proactive Inhibition (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Junichi、Saiki Akiko、Soma Shogo、Yamanaka Ko、Nonomura Satoshi、Rios Alain、Kawabata Masanori、Kimura Minoru、Sakai Yutaka、Isomura Yoshikazu
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 388 ページ: 297-316
  • DOI: 10.1016/j.neuroscience.2018.07.039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monitoring and updating of action selection for goal-directed behavior through the striatal direct and indirect pathways (2018)
  • 著者名/発表者名: Nonomura S, Nishizawa K, Sakai Y, Kawaguchi Y, Kato S, Uchigashima M, Watanabe M, Yamanaka K, Enomoto K, Chiken S, Sano H, Soma S, Yoshida J, Samejima K, Ogawa M, Kobayashi K, Nambu A, Isomura Y, Kimura M
  • 雑誌名: Neuron 巻: 99(6) 号: 6 ページ: 1302-1314
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2018.08.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distinct Laterality in Forelimb-Movement Representations of Rat Primary and Secondary Motor Cortical Neurons with Intratelencephalic and Pyramidal Tract Projections (2017)
  • 著者名/発表者名: Soma Shogo、Saiki Akiko、Yoshida Junichi、Rios Alain、Kawabata Masanori、Sakai Yutaka、Isomura Yoshikazu
  • 雑誌名: The Journal of Neuroscience 巻: 37 号: 45 ページ: 10904-10916
  • DOI: 10.1523/jneurosci.1188-17.2017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuous membrane potential fluctuations in motor cortex and striatum neurons during voluntary forelimb movements and pauses. (2017)
  • 著者名/発表者名: Nonomura S, Fujiwara-Tsukamoto Y, Kajihara T, Fujiyama F, Isomura Y
  • 雑誌名: Neurosci Res 巻: - ページ: 53-59
  • DOI: 10.1016/j.neures.2017.03.002
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Large-scale analysis reveals populational contributions of cortical spike rate and synchrony to behavioural functions (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimura R, Saiki A, Fujiwara-Tsukamoto Y, Sakai Y, Isomura Y
  • 雑誌名: Journal of Physiology 巻: 595 号: 1 ページ: 385-413
  • DOI: 10.1113/jp272794
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] In Vivo Spiking Dynamics of Intra- and Extratelencephalic Projection Neurons in Rat Motor Cortex. (2017)
  • 著者名/発表者名: Saiki A, Sakai Y, Fukabori R, Soma S, Yoshida J, Kawabata M, Yawo H, Kobayashi K, Kimura M, Isomura Y.
  • 雑誌名: Cereb Cortex. 巻: 印刷中 号: 3 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1093/cercor/bhx012
  • 査読あり
• [雑誌論文] 特集 記憶ふたたび 9.オペラント条件づけで脳を探る (2016)
  • 著者名/発表者名: 相馬 祥吾，川端 政則，礒村 宜和
  • 雑誌名: 生体の科学 巻: 67 号: 1 ページ: 42-46
  • DOI: 10.11477/mf.2425200396
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • 年月日: 2016-02-15
• [雑誌論文] Spatiotemporal Organization and Cross-Frequency Coupling of Sleep Spindles in Primate Cerebral Cortex. (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi, S., R. Murai, H. Shimazu, Y. Isomura, T. Mima and T. Tsujimoto
  • 雑誌名: Sleep 巻: 39（9） 号: 9 ページ: 1719-1735
  • DOI: 10.5665/sleep.6100
  • 査読あり
• [雑誌論文] Similarity in neuronal firing regimes across mammalian species (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Mochizuki, ..., Ichiro Fujita, et al.
  • 雑誌名: Journal of Neuroscience 巻: 36 号: 21 ページ: 5736-5747
  • DOI: 10.1523/jneurosci.0230-16.2016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Balanced motor primitive can explain generalization of motor learning effects between unimanual and bimanual movements. (2016)
  • 著者名/発表者名: Takiyama K & Sakai Y
  • 雑誌名: Scientific reports 巻: 6 号: 1 ページ: 23331-23331
  • DOI: 10.1038/srep23331
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gamma Oscillations and Their Cross-frequency Coupling in the Primate Hippocampus During Sleep (2015)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi, S., Mima, T., Murai, R., Shimazu, H., Isomura, Y., & *Tsujimoto
  • 雑誌名: Sleep 巻: 38 号: 7 ページ: 1085-91
  • DOI: 10.5665/sleep.4818
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous Neuronal Responses to Fluctuated Inputs (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Hosaka and Yutaka Sakai
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 92 号: 4 ページ: 042705-042705
  • DOI: 10.1103/physreve.92.042705
  • 査読あり
• [雑誌論文] 習慣の神経メカニズム. (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉田 純一，礒村 宜和
  • 雑誌名: 生体の科学 巻: 66 ページ: 14-18
• [学会発表] Neural representation for right and left limb movements in rodent cerebral cortex. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Isomura
  • 学会等名: The 8th CIN-NIPS Joint Symposium (Centre for Integrative Neuroscience, University of Tubingen, Tubingen, Germany)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Reactive inhibition correlates with only trial-based but not block-based proactive inhibition (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Soma S, Sakai Y, Isomura Y
  • 学会等名: Neuroscience 2018 (San Diego Convention Center, San Diego, USA)
  • 国際学会
• [学会発表] Identification of indirect pathway neurons and dopaminergic innervation in the rat dorsomedial striatum. (2018)
  • 著者名/発表者名: Nonomura S, Kato S, Iguchi Y, Nishizawa K, Sakai Y, Kawaguchi Y, Nambu A, Watanabe M, Kobayashi K, Isomura Y, Kimura M
  • 学会等名: Neuroscience 2018 (Kobe International Conference Center, Kobe, Hyogo)
• [学会発表] Laterality for forelimb-movements in motor cortex in a hemiparkinsonian rat model. (2018)
  • 著者名/発表者名: Rios A, Soma S, Yoshida J, Kawabata M, Sakai Y, Isomura Y
  • 学会等名: Neuroscience 2018 (Kobe International Conference Center, Kobe, Hyogo)
• [学会発表] Lateralized limb representation of posterior parietal cortex neurons during forelimb movements of the rat. (2018)
  • 著者名/発表者名: Soma S, Yoshida J, Nonomura S, Sakai Y, Isomura Y
  • 学会等名: Neuroscience 2018 (Kobe International Conference Center, Kobe, Hyogo)
• [学会発表] 脳活動計測に適したラットの行動学習システム． (2017)
  • 著者名/発表者名: 礒村宜和
  • 学会等名: 第10回ラットリソースリサーチ研究会
  • 発表場所: 京都大学医学部（京都市左京区）
  • 年月日: 2017-02-03
  • 招待講演
• [学会発表] Cortical and striatal mechanism to control forelimb movements in rodents. (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Isomura
  • 学会等名: The 7th NIPS-CIN Joint Symposium (National Institute for Physiological Sciences, Okazaki, Aichi)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 行動発現を制御する大脳皮質回路 (2017)
  • 著者名/発表者名: 礒村 宜和
  • 学会等名: 平成29年度生理学研究所研究会（生理学研究所, 愛知県岡崎市）
  • 招待講演
• [学会発表] Plenary Lecture: Cortical, hippocampal and striatal activations during reward-seeking behaviors. (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Isomura
  • 学会等名: The 6th International Conference on Cognitive Neurodynamics (ICCN-2017) (Hotel Alcázar de la Reina, Carmona, Spain)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cortical, striatal and hippocampal activations during reward-seeking behaviors. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Isomura
  • 学会等名: Computational Basal Ganglia
  • 発表場所: National Institute for Physiological Sciences, Okazaki, Aichi
  • 年月日: 2016-12-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質の多領域間スパイク・コミュニケーションの解明を目指して． (2016)
  • 著者名/発表者名: 礒村宜和
  • 学会等名: 平成28年度生理学研究所研究会「大脳皮質の機能原理を探る」
  • 発表場所: 生理学研究所（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2016-12-07
  • 招待講演
• [学会発表] Distinct roles of orbitofrontal cortex in response execution and inhibition during a stop-signal task. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Saiki A, Soma S, Yamanaka K, Nonomura S, R-Davila AA, Kawabata M, Kimura M, Sakai Y, Isomura Y
  • 学会等名: The Annual Meeting of the Society for Neuroscience
  • 発表場所: San Diego Convention Center, San Diego, CA, USA
  • 年月日: 2016-11-12
  • 国際学会
• [学会発表] Cortical, striatal and hippocampal circuits for reward-based behaviors. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Isomura
  • 学会等名: The 39th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Kanagawa
  • 年月日: 2016-07-21
  • 招待講演
• [学会発表] Functional neural activity in orbitofrontal cortex during proactive inhibition with a novel stop-signal task. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Saiki A, Soma S, Yamanaka K, Nonomura S, Kawabata M, Sakai Y, Isomura Y
  • 学会等名: The 39th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Kanagawa
  • 年月日: 2016-07-20
• [学会発表] Functional activity for goal-oriented behaviors in motor cortex, striatum and hippocampus. (2016)
  • 著者名/発表者名: Isomura Y
  • 学会等名: International Symposium on Adaptive Circuit Shift 2016.
  • 発表場所: 同志社大学（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-03-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Functional activity in orbitofrontal cortex during proactive inhibition. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Saiki A, Soma S, Yamanaka K, Nonomura S, Kawabata M, Sakai Y & Isomura Y
  • 学会等名: International Symposium on Adaptive Circuit Shift 2016.
  • 発表場所: 同志社大学（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-03-03
• [学会発表] Behavioral evaluation of impairment of response inhibition by habit formation. (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Saiki A, Yamanaka K, Sakai Y & Isomura Y
  • 学会等名: The 75th Annual Meeting of the Japanese Society for Animal Psychology
  • 発表場所: 日本女子大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2015-09-11
• [学会発表] A novel operant learning task to evaluate rat behavioral inhibition during habit formation. (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Saiki A, Yamanaka K, Sakai Y & Isomura Y
  • 学会等名: Neuroscience 2015, The 38th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-07-30
• [学会発表] A new stop-signal task to explore inhibitory function in operant learning to habituation process. (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Saiki A, Yamanaka K, Sakai Y & Isomura Y
  • 学会等名: The 92nd Annual Meeting of the Physiological Society of Japan
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-03-23
• [学会発表] A novel stop-signal task to explore inhibitory function in operant learning to habituation process. (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Saiki A, Yamanaka K, Sakai Y & Isomura Y
  • 学会等名: Winter workshop on mechanism of brain and mind 2015
  • 発表場所: ルスツリゾート（北海道留寿都）
  • 年月日: 2015-01-07
• [図書] 心理学辞典（下山晴彦編） (2014)
  • 著者名/発表者名: 礒村 宜和（分担執筆）
  • 総ページ数: 1088
  • 出版者: 誠信書房
• [備考] https://researchmap.jp/yoshikazuisomura/
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/yoshikazuisomura/
• [備考] 礒村研究室ホームページ
  • URL: http://www.tamagawa.ac.jp/teachers/isomura/index.html
• [備考] Researchmap
  • URL: http://researchmap.jp/yoshikazuisomura/
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www.tamagawa.ac.jp/teachers/isomura/index.html
• [備考] Researchmap礒村宜和
  • URL: http://researchmap.jp/yoshikazuisomura/
• [備考] 玉川大学脳科学研究所礒村研究室
  • URL: http://www.tamagawa.ac.jp/teachers/isomura/index.html
• [産業財産権] 投射先同定装置、投射先同定方法及びプログラム (2017)
  • 発明者名: 酒井裕、礒村宜和
  • 権利者名: 学校法人玉川学園
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2017